JP2006330578A - 液晶表示装置 - Google Patents

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Makoto Chisaki
誠 地崎
Masafumi Matsui
雅史 松井
Motonari Okada
元成 岡田
Daisuke Takama
大輔 高間
Yoshiharu Nakajima
義晴 仲島
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Abstract

【課題】本発明の目的は、開口率の縮小を抑制しつつ、光センサ素子を内臓した液晶表示装置を提供することにある。
【解決手段】本発明の一実施形態である液晶表示装置は、第1基板1に配置され、薄膜トランジスタを用いて形成されたスイッチング素子31と、第1基板1に配置され、薄膜トランジスタを利用して形成された光センサ素子32を含む光センサ回路と、第1基板1においてスイッチング素子31および光センサ回路の上層に設けられ、かつ光センサ回路中の光センサ素子32に対応する領域に開口部61aを有する反射板61と、第1基板1に対向して形成され、透明な共通電極23を備える第2基板2と、第1基板1と第2基板2との間に介在する液晶3とを有する。
【選択図】図5

Description

本発明は、液晶表示装置に関し、特に、光センサ素子を備えた液晶表示装置に関する。
近年、光センサ素子をドット領域中に備えた液晶表示装置の開発が進んでいる(例えば、特許文献1〜3参照)。一ドット領域中に光センサ素子を内臓することで、スキャナー機能、タッチパネル機能を通常の液晶表示装置で実現することが可能となる。
このような光センサ素子を液晶表示装置に内蔵する技術は、今後のディスプレイのユーザーインターフェース化には欠かせないものであり将来有望な技術の一つである。光センサ素子をドット領域に内蔵することは、当然として設計に制約を生じることになる。
上記特許文献1〜3に記載の技術は、透過型液晶表示装置に光センサ素子を内臓したものであるが、この場合には、光センサを配置した部分はバックライトの光が透過しないので開口率が下がる。特に、小型、高精細化が進むモバイル向けアプリケーションにおいてその低下は顕著になる。昨今、日本市場携帯電話向けLCDは、2.0、2.2、2.4インチサイズであるにも関わらず、画素数は320×240のいわゆるQVGAである。今後は更なる高精細化が進むと予想される。携帯電話向け、PDA用途向けアプリケーションの場合は、開口率の縮小を抑えた設計が求められる。
特開2004−318819号公報 特開2004−45785号公報 特開平7−325319号公報
以上のように、光センサ素子を内蔵した液晶表示装置では、通常の表示のみを考慮した設計に加えて、開口率の縮小を抑えた工夫が必要になる。開口率とは、一ドット領域あるいは一画素領域の面積に占める表示に寄与する面積の割合である。
本発明は上記の事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、開口率の縮小を抑制しつつ、光センサ素子を内臓した液晶表示装置を提供することにある。
上記の目的を達成するため、本発明は、反射表示部を備える液晶表示装置であって、第1基板に配置され、薄膜トランジスタを用いて形成されたスイッチング素子と、前記第1基板に配置され、前記薄膜トランジスタを利用して形成された光センサ素子を含む光センサ回路と、前記第1基板において前記スイッチング素子および前記光センサ回路の上層に設けられ、かつ前記光センサ回路中の前記光センサ素子に対応する領域に開口部を有する反射板と、前記第1基板に対向して形成され、透明な共通電極を備える第2基板と、前記第1基板と前記第2基板との間に介在する液晶とを有する。
上記の本発明の液晶表示装置では、第2基板側から入射した光を反射板により反射させることにより表示が行われる。液晶による光変調の有無に応じて、反射光の強度が制御される。
反射板の下層には、スイッチング素子の他、光センサ素子を含む光センサ回路が配置されている。スイッチング素子、光センサ回路は、反射電極の下層に設けられていることから、スイッチング素子および光センサ回路の配置領域も反射表示部として利用することが可能となる。
反射板には、光センサ素子に対応する領域に開口部が設けられていることから、第2基板側から入射した光のうち、この開口部を通過した光は光センサ素子により受光される。
本発明によれば、開口率の縮小を抑制しつつ、光センサ素子を内臓した液晶表示装置を実現することができる。
以下に、本発明の実施の形態について、図面を参照して説明する。本実施形態では、反射表示と透過表示の双方を可能な併用型(半透過型)液晶表示装置について説明する。ただし、本発明の液晶表示装置は、反射表示のみを行う反射型液晶表示装置であってもよい。
図1は、本実施形態に係る液晶表示装置の概略構成を示す断面図である。
液晶表示装置は、液晶3を介在させた状態で対向配置された第1基板1および第2基板2と、第1基板1および第2基板2を挟む2つの偏光板4,5と、偏光板4側に配置されたバックライト6とを有する。
第1基板1は、マトリクス状にドット領域が形成されており、各ドット領域には外光を反射させて表示を行う反射表示部と、バックライト6の光を透過させて表示を行う透過表示部とを有する。
第2基板2は、各ドット領域に異なる色のカラーフィルタが形成されている。例えば、カラーフィルタとして、レッドカラーフィルタ、グリーンカラーフィルタ、ブルーカラーフィルタの3種類を採用する。この場合には、レッドカラーフィルタ、グリーンカラーフィルタ、ブルーカラーフィルタが配置された3つのドット領域により1つの画素が構成される。
本実施形態に係る液晶表示装置は、電圧無印加時に白表示を行うノーマリーホワイトモードを採用する。例えば液晶3としてネマティック液晶を使用し、偏光板4および偏光板5の透過軸(偏光軸)を互いに直交させることにより、ノーマリーホワイトモードとなる。ただし、上記以外の配向をもつ液晶3と、偏光板4,5を組み合わせることによっても、ノーマリーホワイトモードを実現できるため、液晶3の種類や偏光板4,5の透過軸の配置に限定はない。
バックライト6は、第1基板1の表示領域の全面に白色光を照射する。バックライト6は、例えばLEDなどの点光源と、当該光源からの光を面状の光に変換する導光板とを有する。
図2は、第1基板1の構成を示す図である。
第1基板1は、表示領域10と、表示用垂直駆動回路11と、表示用水平駆動回路12と、センサ用垂直駆動回路13と、センサ読出し用水平駆動回路14とを有する。
表示領域10には、3つのドット領域からなる画素がマトリックス状に複数配置されている。また、後述するように、各ドット領域には、表示用の画素トランジスタの他に、光センサ素子が形成されている。
表示用垂直駆動回路11は、水平方向に延び垂直方向に並んだ各ゲート線に接続されており、垂直方向に並んだゲート線に順次選択パルスを供給する。
表示用水平駆動回路12は、垂直方向に伸び水平方向に並んだ表示用の各第1データ線に接続されており、水平方向に並んだ各第1データ線に順次映像信号を供給する。
センサ用垂直駆動回路13は、水平方向に延び垂直方向に並んだ各読み出し線に接続されており、垂直方向に並んだ読み出し線に順次選択パルスを供給する。
センサ読出し用水平駆動回路14は、垂直方向に伸び水平方向に並んだ撮像用の各第2データ線に接続されており、水平方向に並んだ各第2データ線から順次撮像信号を読み出す。
図3は、1つのドット領域の回路の一例を示す図である。
ドット領域には、垂直方向に延在する表示用の第1データ線S1と、水平方向に延在するゲート線G1との交点付近に画素トランジスタ31が設けられている。画素トランジスタ31のゲートはゲート線G1に接続され、ソースは第1データ線S1に接続され、ドレインが補助容量Csおよび液晶3に接続されている。
ゲート線G1は表示用垂直駆動回路11に接続され、第1データ線S1は表示用水平駆動回路12に接続されている。表示用垂直駆動回路11によりゲート線G1に選択パルスが供給されると、画素トランジスタ31がオン状態となり、表示用水平駆動回路12により第1データ線に映像信号が供給されることで、画素トランジスタ31を介して補助容量Csおよび液晶3に映像信号が書き込まれる。
また、各ドット領域には、センサ回路が設けられている。センサ回路は、光センサ素子32と、リセットトランジスタ33と、キャパシタ34と、増幅トランジスタ35と、選択トランジスタ36とを有する。光センサ素子32、リセットトランジスタ33、増幅トランジスタ35および選択トランジスタ36は、画素トランジスタ31と同様に薄膜トランジスタにより形成される。
光センサ素子32は、基準電位Vssにソースが、フローティングディフュージョンFDにドレインが接続されている。光センサ素子32のゲートには、しきい値電圧以下の電圧Vgが印加される。
リセットトランジスタ33は、電源電圧Vddにドレインが、フローティングディフュージョンFDにソースが接続されている。リセットトランジスタ33のゲートにリセット信号(Reset)が与えられることによって、フローティングディフュージョンFDの電位がリセットされる。
キャパシタ34は、フローティングディフュージョンFDと基準電位Vssとの間に接続されている。キャパシタ34に蓄積される電荷量に応じてフローティングディフュージョンの電圧が変化する。
増幅トランジスタ35は、フローティングディフュージョンFDにゲートが、電源電圧Vddにドレインが、選択トランジスタ36のドレインにソースが接続されたソースフォロア回路を構成している。
選択トランジスタ36は、増幅トランジスタ35のソースにドレインが、第2データ線S2にソースが接続されている。センサ用垂直駆動回路13により選択トランジスタ36のゲートに読み出し信号(Read)が供給されると、選択トランジスタ36はオン状態となり、増幅トランジスタ35によって増幅された信号が、第2データ線S2に出力される。
上記のセンサ回路では、まず、リセットトランジスタ33のゲートにリセット信号が供給されることにより、リセットトランジスタ33がオン状態となり、キャパシタ34に電荷が蓄積され、フローティングディフュージョンFDの電圧が電源電圧Vddに応じた値となる。その後、リセットトランジスタ33はオフ状態とされる。
そして、光センサ素子32が受光すると、光量に応じたリーク電流ないしオフ電流が生じる。これにより、キャパシタ34に蓄積された電荷が放電し、フローティングディフュージョンFDの電圧が下がる。このフローティングディフュージョンFDの電圧は、増幅トランジスタ35によって増幅され、センサ用垂直駆動回路13により読み出し信号が選択トランジスタ36のゲートに供給されることにより、信号電圧として第2データ線S2に読み出される。
第2データ線S2に読み出された信号電圧は、光センサ素子32の受光量に応じた値となる。この信号電圧は、センサ読出し用水平駆動回路14に送られる。
図4は、3つのドット領域により構成される1つの画素の平面図を示す。
図4に示すように、各ドット領域には、レッドカラーフィルタ21R、グリーンカラーフィルタ21G、ブルーカラーフィルタ21Bが配置されており、水平方向に並んだ3つのドット領域で1つの画素が構成される。なお、特にカラーフィルタの色を区別する必要のない場合には、単にカラーフィルタ21と称する。各カラーフィルタ21には、開口部21aが形成されている。
各ドット領域のピッチDPは、例えば100μmであり、画素の水平方向の寸法HLは例えば300μmであり、画素の垂直方向の寸法VLは例えば300μmである。
図5は、図4のA−A’線に沿った断面図である。
石英基板やガラス基板などからなる第1基板1の反射表示部には、画素トランジスタ31、補助容量CS、光センサ素子32が集積形成されている。なお、リセットトランジスタ33、キャパシタ34、増幅トランジスタ35、選択トランジスタ36も同様に第1基板1の反射表示部に集積形成されているが、図面の簡略化のためこれらの素子は省略してある。
光センサ素子32と第1基板1との間には、遮光膜41が形成されている。遮光膜41上には、例えば酸化シリコンからなる絶縁膜42が形成されている。
絶縁膜42上には、光センサ素子32のゲート電極43、補助容量CSの下部電極44、および画素トランジスタ31のゲート電極45が形成されている。ゲート電極43、下部電極44、ゲート電極45を被覆するように例えば酸化シリコンからなるゲート絶縁膜46が形成されている。
ゲート電極43上には、ゲート絶縁膜46を介して例えばポリシリコンからなる半導体層47が形成されている。下部電極44およびゲート電極45上には、ゲート絶縁膜46を介して例えばポリシリコンからなる半導体層48が形成されている。
半導体層47および半導体層48上には、例えば酸化シリコンからなる層間絶縁膜49が形成されている。層間絶縁膜49上には、光センサ素子32の半導体層47に接続するソース電極51およびドレイン電極52が形成され、画素トランジスタ31の半導体層48に接続するドレイン電極53およびソース電極54が形成されている。
上記の光センサ素子32および画素トランジスタ31は、ゲート電極上にゲート絶縁膜を介して活性領域となる半導体層が形成された、いわゆるボトムゲート型の薄膜トランジスタである。
光センサ素子32および画素トランジスタ31上には、有機絶縁膜60が形成されている。反射表示部における有機絶縁膜60の表面には、凹凸が形成されている。反射表示部における有機絶縁膜60上には、AgもしくはAlからなる反射電極(反射板)61が形成されている。反射電極61が形成された領域が、反射表示部となる。反射電極61は、画素トランジスタ31のドレイン電極53に接続されている。反射電極61は、下地の有機絶縁膜60の凹凸構造を反映した表面凹凸をもつ。反射電極61は、光センサ素子32に対応する領域に開口部61aが形成されている。
透過表示部には、第1基板1上に画素トランジスタ31などの素子が形成されておらず、有機絶縁膜60が直接形成されている。なお、絶縁膜42やゲート絶縁膜46などの絶縁膜が、透過表示部に形成されていてもよい。
透過表示部における有機絶縁膜60上には、ITOなどからなる透明電極62が形成されている。透明電極62が形成された領域が、透過表示部となる。透明電極62は、反射電極61に接続されている。透過表示部における液晶3の厚さD2は、反射表示部における液晶3の厚さD1の略2倍に設定される。これは、反射表示部では光が液晶3を往復するのに対して、透過表示部ではバックライトから入射する光は一回しか液晶3中を通過しないからである。
第1基板1に対向配置された第2基板2上には、カラーフィルタ21が形成されている。カラーフィルタ21には、光センサ素子32に対応する領域に、開口部21aが形成されている。
カラーフィルタ21上には、平坦化膜22が形成されており、平坦化膜22の表面は平坦化されている。平坦化膜22上には、ITOなどの透明共通電極23が形成されている。
上記の液晶表示装置では、反射型表示を行う場合には、外光は偏光板5を通過して直線偏光となり、この直線偏光となった外光が第2基板2側から入射する。第2基板2側から入射した外光は、反射電極61により反射されて再び偏光板5に入射する。このとき、外光は液晶3による光変調の有無により、偏光板5の通過が制御される。本実施形態では、ノーマリーホワイトモードのため、液晶3に電圧が印加されていない状態において、偏光板5を通過して光が出射されて白表示となる。また、液晶3に電圧が印加されている状態では、偏光板5により光が吸収されて黒表示となる。
透過型表示を行う場合には、バックライト6からの白色光が、偏光板4を通過して直線偏光となり、この直線偏光の光が第1基板1側から入射する。第1基板1側から入射した光は、液晶3による光変調の有無により、第2基板2側に配置された偏光板5の通過が制御される。本実施形態では、ノーマリーホワイトモードを採用するため、液晶3に電圧が印加されていない状態において偏光板5から光が出射されて白表示となる。また、液晶3に電圧が印加された状態において偏光板5により光が吸収されて黒表示となる。
上記の本実施形態では、光センサ素子32を内臓しているため、第2基板2側から入射した光のうち、反射電極61の開口部61aを通過した光は、光センサ素子32により受光される。各ドット領域に光センサ素子32が内臓されていることから、上記の表示動作に加えて、撮像動作も可能となる。
これにより、光入力機能一体型表示装置を実現することができる。この結果、タッチパネル機能、スキャナ機能、カメラ機能、指紋センサ機能を備えた液晶表示装置を実現することができる。上記の光センサ回路は、画素トランジスタ31と同時に製造できることから、製造工程を増加させることもない。
また、光センサ素子32による受光量が小さい場合には、周囲が暗いと認定して、バックライト6を動作させることも可能となる。
次に、上記の本実施形態に係る液晶表示装置の効果について説明する。
各ドット領域に光センサ回路を設ける場合には、画素トランジスタ31を含めて、1つのドット領域に例えば5つのトランジスタが必要になる(図3参照)。従来のように透過型液晶表示装置の各ドット領域に光センサ回路を内臓すると、この光センサ回路部分は表示に寄与しない領域となるため、開口率が縮小する。ドットピッチが短くなると光センサ回路の占める面積比率が増すため、さらに開口率が縮小する。
本実施形態では、併用型液晶表示装置において、反射電極61の下層に、画素トランジスタ31、光センサ素子32、他のトランジスタ33,35,36、補助容量CS、キャパシタ34を配置することで、画素面積を有効的に使えることになる。つまり開口率を縮小させずに反射表示部として有効利用できる。ただしここで定義する開口率は、1つのドット領域あるいは画素領域の面積内において表示(反射、透過のどちらでも良い)に寄与する面積の割合である。なお、併用型でなく反射型表示装置であってもよい。
図6は、ドットピッチと開口率との関係を示す図である。図6は、透過型液晶表示装置に光センサ回路を内臓した場合の開口率と、併用型の液晶表示装置に光センサ回路を内臓した場合の開口率を示している。
図6に示すように、例えば、ドットピッチを100μmとした場合に、透過型液晶表示装置の各ドット領域に光センサ回路を内臓した場合の開口率が52%となるのに対し、併用型液晶表示装置の各ドット領域に光センサ回路を内臓した場合の開口率は79%となる。このため、約1.5倍の面積を表示のために使えることになる。
以上のように、併用型液晶表示装置もしくは反射型液晶表示装置の反射表示部に光センサ回路を設けることにより、特に100μmより小さいパネルサイズにおいて、表示性能を損なうことなく光入力機能を付加することができる。
また、本実施形態では、カラーフィルタ21のうち、光センサ素子32に対応する領域に開口部21aを設けている。カラーフィルタ21による光の吸収がないため、光センサ素子32へ入射する光強度を向上させることができる。これは、光センサ素子32の感度の向上に繋がりS/N比が増大することを意味する。
また、カラーフィルタ21に開口部21aを設けることにより、反射表示部と透過表示部とで同じカラーフィルタを採用することができる。これについて説明する。
反射表示部では外光が二回カラーフィルタを通過することになるために、透過表示部と比較して光学濃度の薄いカラーフィルターが望まれる。しかし、各ドット領域に反射表示部と透過表示部とで光学濃度の異なるカラーフィルターを作製する場合には、カラーフィルタの製造工程が単純に2倍に増える。本実施形態では、反射表示部のカラーフィルタ21に開口部21aを設けることにより、この開口部21aが反射表示部におけるカラーフィルタ21の光学濃度を薄める効果をもつ。
従って、図4に示すレッドカラーフィルタ21R、グリーンカラーフィルタ21G、ブルーカラーフィルタ21Bに形成する開口部21aの面積をそれぞれ最適化することにより、各ドット領域において、1つのカラーフィルタで透過表示部と反射表示部の最適な色度設計が実現できる。
以上のように、反射表示部のカラーフィルタ21に開口部21aを設けることは、1つのカラーフィルタで透過表示部と反射表示部の最適な色度設計が実現できる効果と、光センサ素子32の受光感度を向上できる効果がある。
例えば、開口部21aを設けた場合には、開口部を設けない場合と比較して、レッドカラーフィルタ21Rが配置されたドット領域では20%、グリーンカラーフィルタ21Gが配置されたドット領域では57%、ブルーカラーフィルタ21Bが配置されたドット領域では16%、光感度を向上させることができた。このときのカラーフィルタのNTSC比は60%であった。
また、本実施形態では、光センサ素子32の直下に、遮光膜41を配置している。これにより、表示特性の観点からは、例えば光センサ素子32での光り抜けを抑えてコントラストを向上させることができる。また、撮像特性の観点からは、光センサ素子32のバックライト光に誘起される電流分を無くすことができ、第2基板2側から入射する光のみを光センサ素子32により受光することができる。
さらに、本実施形態では、ノーマリーホワイトモードの液晶表示装置となるように、液晶3の配向、偏光板4,5を設計している。このため、電圧無印加状態において、光センサー素子を動作させることができる。
本発明は、上記の実施形態の説明に限定されない。
本発明の反射板として、画素電極としての機能を兼ねる反射電極61を例に説明したが、画素電極としての機能を兼ねない反射板であってもよい。この場合には、反射表示部における液晶3の配向を制御するため、反射板とは異なる層に透明あるいは反射電極を設ければよい。また、本実施形態では、併用型の液晶表示装置について説明したが、反射型の液晶表示装置であってもよい。また、カラーフィルタ21のない液晶表示装置についても適用可能である。また、画素トランジスタ31や光センサ素子32を構成する薄膜トランジスタは、ボトムゲート型に限られず、トップゲート型であってもよい。また、本実施形態では、ドット領域毎に光センサ素子を含む光センサ回路を配置する例について説明したが、1画素毎に光センサ回路を配置してもよく、あるいは光センサ回路を含む画素と光センサ回路を含まない画素とを混在させてもよい。
その他、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の変更が可能である。
本実施形態に係る液晶表示装置の概略構成を示す断面図である。 第1基板の構成を示すブロック図である。 1つのドット領域の回路図である。 3つのドット領域により構成される画素の平面図である。 1つのドット領域の断面図である。 ドットピッチと開口率の関係を示す図である。
符号の説明
1…第1基板、2…第2基板、3…液晶、4…偏光板、5…偏光板、6…バックライト、10…表示領域、11…表示用垂直駆動回路、12…表示用水平駆動回路、13…センサ用垂直駆動回路、14…センサ読出し用水平駆動回路、21…カラーフィルタ、21a…開口部、22…平坦化膜、23…透明共通電極、31…画素トランジスタ、32…光センサ素子、33…リセットトランジスタ、34…キャパシタ、35…増幅トランジスタ、36…選択トランジスタ、41…遮光膜、42…絶縁膜、43…ゲート電極、44…下部電極、45…ゲート電極、46…ゲート絶縁膜、47…半導体層、48…半導体層、49…層間絶縁膜、51…ソース電極、52…ドレイン電極、53…ドレイン電極、54…ソース電極、60…有機絶縁膜、61…反射電極、61a…開口部、62…透明電極、CS…補助容量

Claims (9)

  1. 反射表示部を備える液晶表示装置であって、
    第1基板に配置され、薄膜トランジスタを用いて形成されたスイッチング素子と、
    前記第1基板に配置され、前記薄膜トランジスタを利用して形成された光センサ素子を含む光センサ回路と、
    前記第1基板において前記スイッチング素子および前記光センサ回路の上層に設けられ、かつ前記光センサ回路中の前記光センサ素子に対応する領域に開口部を有する反射板と、
    前記第1基板に対向して形成され、透明な共通電極を備える第2基板と、
    前記第1基板と前記第2基板との間に介在する液晶と
    を有する液晶表示装置。
  2. 前記第2基板に、カラーフィルタが形成された
    請求項1記載の液晶表示装置。
  3. 前記カラーフィルタは、前記光センサ素子に対応する領域に開口部を有する
    請求項2記載の液晶表示装置。
  4. 前記光センサ素子と前記第1基板との間に、前記光センサ素子を遮光する遮光膜が形成された
    請求項1記載の液晶表示装置。
  5. 前記第1基板および前記第2基板の外側に配置された2つの偏光板を有し、ノーマリーホワイトモードとなるように、前記液晶の配向および2つの前記偏光板の透過軸が設定された
    請求項1記載の液晶表示装置。
  6. 透過表示部をさらに有し、
    前記第1基板側にバックライトが配置された
    請求項1記載の液晶表示装置。
  7. 前記第2基板に、カラーフィルタが形成された
    請求項6記載の液晶表示装置。
  8. 前記カラーフィルタは、前記光センサ素子に対応する領域に開口部を有する
    請求項7記載の液晶表示装置。
  9. 前記光センサ素子と前記第1基板との間に、前記光センサ素子を遮光する遮光膜が形成された
    請求項6記載の液晶表示装置。
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